氫燃料電池展訊，如何克服燃料電池催化劑的鉑依賴(lài)難題?同濟大學(xué)研究團隊提出了一種全新的解決方案，通過(guò)優(yōu)化富鋰錳基氧化物的電子結構和性能，來(lái)替代資源稀缺且昂貴的鉑族催化劑。4月12日，國際頂級期刊《自然·催化》(Nature Catalysis)在線(xiàn)發(fā)表了同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬吉偉教授團隊的這一研究成果。論文題目為“Stabilization of layered lithium-rich manganese oxide for anion exchange membrane fuel cells and water electrolysers”。

燃料電池是氫能的重要應用場(chǎng)景，是氫經(jīng)濟中不可或缺的一環(huán)。其核心部件膜電極，主要包括陰陽(yáng)兩極的催化劑、電解質(zhì)、氣體擴散層和雙極板等。催化劑用于促進(jìn)陰極和陽(yáng)極反應，將高能壘的反應過(guò)程轉變?yōu)榈湍軌镜姆磻^(guò)程。目前，高性能的燃料電池主要采用高載量的鉑族金屬作為催化劑，尤其是鉑催化劑，導致成本相對較高，從而限制了其大規模應用。為了從根本上擺脫對鉑的依賴(lài)，需要開(kāi)發(fā)非鉑催化劑，并解決燃料電池的性能問(wèn)題。簡(jiǎn)言之，要實(shí)現燃料電池的大規模應用，非鉑催化劑的研究具有極其重要的意義。構筑低成本的催化劑替代鉑催化劑，同時(shí)保持優(yōu)異的電池性能，是目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同面臨的難題，極具挑戰性?；诖?，馬吉偉教授團隊選擇非鉑金屬氧化物催化劑開(kāi)展研究。該團隊以錳酸鋰作為研究模型，開(kāi)發(fā)了一種高穩定性、高活性的富鋰錳基催化劑材料。通過(guò)在富鋰錳基材料中引入4d過(guò)渡金屬Ru取代3d過(guò)渡金屬Mn，調節金屬-氧共價(jià)性，從而提高材料的結構穩定性，并顯著(zhù)提升了其催化活性和穩定性。研究還利用原位X射線(xiàn)吸收譜對氧還原反應過(guò)程進(jìn)行了詳細解析，提供了Mn和Ru都是氧還原反應直接活性位點(diǎn)的原位譜學(xué)證據。此外，該富鋰錳基催化劑展示出優(yōu)異的燃料電池性能，峰值功率密度達到1.2 W cm-2，優(yōu)于商業(yè)化Pt/C催化劑。在水電解槽中，該催化劑在電壓為1.9 V時(shí)展現了1.2 A cm-2的電流密度，其性能超過(guò)了NiFe-LDH、RuO2和其他過(guò)渡金屬氧化物。

該研究成果突出了富鋰錳基催化劑在燃料電池和電解槽中的重要作用，提供了一類(lèi)全新低成本催化劑的設計策略，對于利用電子調控構筑高活性和高穩定性的金屬氧化物催化材料具有重要的指導意義。同濟大學(xué)為論文第一完成單位，馬吉偉教授、Peter Strasser教授和Zhiwei Hu教授為論文通訊作者，團隊成員鐘雪鵬博士、隋麗君博士和楊孟昊特聘研究員為共同第一作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目的資助。

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